Bauelemente der Technischen Informatik

Transkript

1 Fachbereich IV - Informatik Bauelemente der Technischen Informatik Manfred Paul

2 Vorlesungsskript SS 2003 Version vom 1. Mai 2003 Alle Rechte vorbehalten. Vervielfältigung jeglicher Art ist untersagt. by Manfred Paul Bauelemente.wpd

3 Vorwort Der vorliegende Text ist aus einem Vorlesungsskript für Hörer der Informatik hervorgegangen. Naturgemäß kann in einer einsemestrigen Vorlesung Vieles nur angerissen werden. Daher wurde auf Beweise weitgehend verzichtet und es wurden nur bekannte physikalische und technische Effekte dargestellt. Angesichts der Schnelllebigkeit dertechnologien bleibt es nicht aus, dass auch veraltete Verfahren dargestellt sind und neueste Moden nicht immer berücksichtigt wurden. Die hier vorgestellten Bauelemente sind wesentliche Bestandteile digitaler Systeme. Angesichts der massiv wachsenden Integration von Bauteilen und ihrer Minimisierung wird man immer weniger sog. diskrete Bauelemente in der Praxis anwenden. Vielmehr werden komplexe Baugruppen, die nicht nur digitale Schaltungen enthalten, sondern auch Sensoren, wie Mikrofone, Gasdetektoren u.ä. als hochintegrierte Baugruppen auf einem Halbleiter integriert. Damit wird der Entwurf von Hardware zunehmend eine Aufgabe von Halbleiterspezialisten. Der normale Informatiker muss dann mit dem arbeiten, was der Markt anbietet. Gleichwohl ist für ein Studium der Informatik auch das Basiswissen über die Funktion der technisch-physikalischen Mechanismen unabdingbar, um sich ein Bild von den Funktionen der Geräte zu machen und ihre Möglichkeiten und Grenzen abzuschätzen. 1

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5 Inhalt Bauelemente der Technischen Informatik 1 Elektrotechnische Grundlagen Grundlegende physikalische Begriffe und Größen DaselektrostatischeFeld Das Coulombsche Gesetz Elektrisches Feld Ladungen im Raum Potential und elektrische Spannung Elektrische Flussdichte GleichstrominlinearenNetzen Die Stromstärke Das Ohmsche Gesetz Kirchhoffsche Sätze Der Knotensatz Der Maschensatz Reale elektrische Energiequellen Klemmenspannung Messschaltungen Widerstandsrauschen DasstationäremagnetischeFeld Das magnetische Feld elektrischer Ströme Das Durchflutungsgesetz Magnetische Dipole Magnetische Induktion, Fluss, Permeabilität und Lorentz-Kraft Kraft zwischen zwei Leitern und Halleffekt Ferromagnetismus DaselektromagnetischeFeld Induktionsgesetz Selbstinduktion, Induktivität Lineare Schaltungstheorie Erzeugung einer Wechselspannung Transformator TheoriederlinearenWechselstromschaltungen Wechselspannung an Induktivität und Kapazität Zeigerdarstellung, komplexe Schreibweise Komplexer Widerstand Kirchhoffsche Sätze für Wechselstrom Schwingkreise Bodediagramm Ortskurven Vierpole Impedanzmatrix Admittanzmatrix Kettenmatrix Universität Trier Technische Informatik M. Paul 3

6 Bauelemente der Technischen Informatik Superpositionsgesetz Schaltvorgänge Schaltverhalten eines ohmschen Widerstandes Schaltverhalten einer Kapazität Schaltverhalten einer Induktivität Nichtlineare Bauelemente und Sensoren Halbleiterphysik Energieniveaus und Bändermodell Kristallstrukturen üblicher Halbleiter DotierteHalbleiter PTC- und NTC-Widerstand Photowiderstand VDR-Widerstand pn-übergang Allgemeine Halbleiter-Dioden Spezielle Halbleiterdioden SensorenundEnergiewandler Reziproke Wandler Weitere gesteuerte Sensoren Aktive Bauelemente und deren Grundschaltungen Halbleitertechnologien Der Bipolar-Transistor Die Kennlinien von Transistoren Der Feldeffekt-Transistor Grundschaltungen von Transistor und FET Emitter-Schaltung / Source-Schaltung Basisschaltung / Gateschaltung Kollektor-Schaltung / Drain-Schaltung Darlington-Schaltung Logische Grundschaltungen Grundsätzliche Begriffe digitaler Bausteine Dynamische Eigenschaften Gatter und Flipflops Schaltkreisfamilien Synchrone und asynchrone Schaltnetze Speichermedien Halbleiterspeicher Festwertspeicher (ROMs) Maskenprogrammierte ROMs Programmierbare ROMs Löschbare Festwertspeicher (EPROMs) Elektrisch löschbare Festwertspeicher (EEPROMs) Flash Memories Universität Trier Technische Informatik M. Paul

7 Bauelemente der Technischen Informatik Schreib-/Lesespeicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM-Speicher) SRAMs DRAMs RAM-Speicher-Organsationen Magnetbandspeicher Schreiben digitaler Daten auf Magnetband Lesen digitaler Daten vom Magnetband Technische Realisierungen Magnetplattenspeicher CD-ROMundandereoptischeSpeichermedien Plattenorganisation RAID Level RAID Level RAID Level RAID Level RAID Level RAID Level Informationsübertragung HistorischerÜberblick StrukturierungderÜbertragungstechniken Physikalische und logische Strukturen PhysikalischeÜbertragungsmedien Kupferleitungen (twisted pairs) Lichtwellenleiter Funkstrecken Serielle und parallele Übertragung Störungen der Signalübertragung Modulationsverfahren Wellenlängen-Multiplex TechnikenundProtokolleinlokalenNetzen(LANs) Schicht 1 des ISO-Modells (Pegel und Codes) Schicht 2 des ISO-Modells Die Schichten 3 und 4 des ISO-Modells Adressierung im Internet Weitverkehrsnetze(WANs) Analoge Modems ISDN ADSL HDSL / SDSL VDSL SDH ATM Gigabit-Ethernet Ausblick Universität Trier Technische Informatik M. Paul 5

8 Bauelemente der Technischen Informatik 7 Annex Acronyme Literatur Index Universität Trier Technische Informatik M. Paul